1 BAB I. PENDAHULUAN 1.1 . Latar Belakang Aliran

BAB I.
PENDAHULUAN
1.1 . Latar Belakang
Aliran dua fasa berlawanan arah, banyak dijumpai pada aplikasi
reaktor nuklir, jaringan pipa, minyak dan gas. Aliran dua fasa ini juga
memiliki karakteristik yang merugikan yaitu
perubahan tekanan yang
biasanya mendadak dan osilasi yang cukup besar sehingga di sebagian
industri aliran dua fase ini tidak diinginkan. Meski demikian fenomena
aliran ini dapat dimanfaatkan pada Pressurized Water Reactor (PWR) di
pembangkit listrik tenaga nuklir. Steam regenerator pada reaktor tersebut
mentransfer kalor dari pendingin primer (primary coolant) yaitu air
bertekanan 15 MPa ke pendingin sekunder (secondary coolant), yaitu air
atau uap bertekanan sekitar 7 MPa. Cairan pendingin primer dipanaskan di
dalam inti dan dilewatkan melalui pembangkit uap (steam generator),
dimana cairan tersebut mentransfer kalor ke cairan pendingin sekunder
untuk membangkitkan uap. Uap tersebut kemudian menggerakan turbin
yang menggerakan generator listrik. Uap diembunkan ini kemudian di
kembalikan ke pembangkit uap sebagai air masuk (feedwater). Gambar 1.1,
merupakan gambar skematis dari PWR.
1
Gambar 1.1 gambar skematis dari reaktor tipe PWR
(http://www.nucleartourist.com/images/pwr-cycle.gif, Februari 2015)
Pipa Hot leg, yaitu pipa yang menyambungkan antara reactor
pressure vessel (RPV) dan pembangkit uap (steam generator,SG). Pipa
tersebut merupakan kombinasi bagian horizontal, dan belokan (elbow)
tunggal atau banyak, dan bagian miring atau vertikal tergantung dari
pembuat reaktor (Deendarlianto, dkk.,2012 dari Kawaji, dkk 1989)..
Pada sekenario kecelakaan secara hipotesis pada PWR, untuk
menjamin pembuangan kalor peluruhan yang bissa diandalkan dari inti
reaktor, juga dalam kondisi kerusakan komponen maka strategi darurat
harus dipetakan. Salah satu mekanisme pembuangan kalor pasif yang
penting adalah cara pendinginan reflux. ( Deendarlianto, dkk., 2012).
Pada kondisi sekenario loss-of-coolant-accident (LOCA), yang
disebabkan oleh kebocoran pada posisi manapun dari saluran cairan primer,
akan mengakibatkan terbentuknya uap pada PWR pada saluran primer.
Sehingga uap yang terbentuk mengalir ke hot leg lalu menuju pembangkit
uap dan menuju keatas melawan arah cairan pendingin hasil kondensasi uap
yang turun, dan sebagian uap tersebut akan mengembun di dalam
pembangkit uap dan mengalir kembali menuju PWR. Gambar 1.2.
`
2
menunjukan aliran uap yang terbentuk melawan aliran air dari kondensasi
uap .
Gambar 1.2. Aliran berlawanan arah, uap-air dari kondensasi uap pada hot leg
PWR saat terjadi LOCA (Wongwises,1996)
Pada pembangkit uap, terjadi proses pengembunan uap. Uap yang
mengembun
mengalir kembali melalui
hot leg menuju reaktor,
menghasilkan aliran berlawanan arah antara aliran uap dan air. Keberhasilan
dari pendinginan inti pada beberapa skenario bergantung pada karakter dari
aliran berlawanan arah ini (Deendarlianto, dkk.,2012).
Sangat penting menjaga cairan pendingin yang diinjeksikan
mencukupi dan mampu menembus ke dalam inti. Namun, aliran berlawanan
arah dari air dan uap hanya stabil untuk rentang laju aliran massa uap dan
air tertentu. Untuk laju aliran massa kondensat yang diberikan, sebagian
kondensat akan menunjukan pembalikan arah aliran dan akan tertahan oleh
uap yang arah alirannya berlawanan sehingga akan kembali ke pembangkit
uap, jika laju aliran massa uap yang terus dinaikkan hingga nilai tertentu.
Fenomena tersebut dinamakan Counter-current flow limitation (CCFL) atau
permulaan flooding (onset of flooding). Jika laju aliran uap terus ditambah
`
3
sampai titik tertentu, maka kondensat tidak akan bisa mengalir ke PWR
sehingga cara pendinginan reflux berhenti. Sehingga pendinginan reaktor
dari hot leg berhenti, namun dapat tetap terjadi pendinginan dari cairan
pendingin yang berasal dari cold leg.
Gambar 1.3 Konfigurasi pemipaan PWR Konvoi German dan jalur aliran
kondensasi reflux (Seidel dkk., 2010)
Pada reaktor PWR Konvoi Jerman, hot leg disusun oleh sebuah
bagian horisontal, sebuah belokan dan sebuah bagian yang miring seperti
pada gambar 1.2. Sedangkan hot leg dari reaktor CANDU memiliki bagian
horizontal, vertikal, dan pipa miring saling digabung menggunakan belokan
dari berbagai sudut. (Deendarlianto., dkk.,2012 dari Kawaji., dkk 1989).
`
4
Terdapat sejumlah cara untuk mengetahui karakteristik fluida,
seringkali melibatkan pengolahan dari seperangkat data yang besar dari
tiga-dimensional, multivariasi, dan bergantung pada waktu. Data ini
diambil menggunakan metode eksperimen atau menggunakan komputasi
(misalnya dengan simulasi menggunakan software CFD). Pada metode
eksperimental, urutan diagnosa dari gambar-optik dua dimensi
memberikan data yang merepresentasikan nilai skalar atau vektor, yang
biasanya merupakan fungsi waktu. Dari gambaran tersebut selanjutnya
dilakukan analisa dengan pendekatan grafis, biasanya dengan bantuan
software dan hardware yang canggih. Pada metode numeris, hasil data
aliran dapat diproses untuk mengungkap karakteristik penting aliran untuk
banyak dimensi (Montoya., 2010 dari Ohnuki, dkk., 1988).
Karaketeristik aliran pada hot leg dapat diketahui dengan dengan
mengetahui tebal lapisan film di sepanjang hot leg. Salah satu cara untuk
mengetahui tebal lapisan film tersebut diantaranya adalah dengan dua kawat
paralel yang dipasang vertikal melalui bagian tengah pipa. Ketinggian fluida
akan terukur dengan perbedaan konduktifitas dari air diantara kedua kawat
tersebut, yang kemudian sinyal yang dihasilkan dipasang melalui jembatan
Wheatstone, frequency amplifier, sinyal itu kemudian di tangkap oleh data
akuisisi (Wongwises.,1996 dan Petritsch dan Mewes.,1998). Sedangkan
cara yang lain adalah dengan mengambil dengan kamera video
berkecepatan tinggi perilaku dari aliran, kemudan dari gambar tersebut
diproses, metode ini disebut juga Digital Image processing.
Metode untuk mengetahui karakteristik fenomena batas aliran
berlawanan arah (Counter current flow limitation) dengan menggunakan
metode eksperimen dengan teknik Digital Image processing sendiri telah
dibuat oleh Montoya (2010). Digital Image processing mengacu pada
penggunaan komputer digital untuk memproses gambar digital. Jika suatu
gambar didefinisikan sebagai fungsi dua dimensi f(x,y), dan x,y adalah
`
5
koordinat ruang dan besarnya nilai f pada pasangan koordinat (x,y) adalah
intensitas tingkat keabu-abuan dari gambar pada titik koordinat tersebut.
Ketika nlai, x,y, dan f semuanya berhingga yang besarnya berbeda satu sama
lain, maka gambar tersebut dikatakan sebagai gambar digital.
Selama beberapa dekade telah dilakukan banyak eksperimen
maupun studi teoritis untuk aliran dua fasa untuk memahami mekanisme
flooding dan membuat desain yang aman untuk reaktor nuklir. Sementara
ini, hanya sedikit studi yang dilakukan untuk memahami permasalahan pada
aliran dua fasa bagian hot leg reaktor tipe PWR. Sehingga penelitian lebih
lanjut masih diperlukan utuk mengetahui pola aliran dua fasa pada reaktor
tipe PWR.
1.2 . Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian tersebut maka masalah utama yang akan dikaji pada
penelitian ini adalah menggambarkan fenomena aliran berlawanan arah di hot leg
dalam bentuk gambar digital yang siap di analisis. Permasalahan ini dapat diuraikan
menjadi :
1. Bagaimanakah memvisualisasi jenis dan karakteristik visual dari aliran
berlawanan arah di hot leg ?
2. Bagimanakah mengolah data visual dalam bentuk video menjadi data
gambar yang dapat dianalisis menggunakan metode Image processing?
`
6
1.3 . Asumsi dan Batasan Masalah
1.3.1. Asumsi
Untuk menyederhanakan masalah di atas maka perlu diambil asumsi,
sebagai berikut:
1. Eksperimen di lakukan pada tekanan lingkungan 1 atmosfer.
2. Pipa hot leg dan seluruh saluran bersifat licin. Gesekan dengan permukaan
dalam pipa diabaikan.
3. Rugi – rugi pada aliran sepanjang dari flow meter air dan rotameter udara
hingga mencapai hot leg diabaikan.
4. Sistem tidak terpengaruh kondisi lingkungan, tidak ada perpindahan kalor
yang terjadi. Sistem bersifat adiabatik.
1.3.2. Batasan Masalah
Untuk menyederhanakan permasalahan tersebut, maka diambil batasan
sebagai berikut sebagai berikut :
1. Metode untuk mengetahui kondisi onset of flooding menggunakan
teknik Image processing.
2. Air yang digunakan adalah air biasa yang disediakan oleh pengelola
sumber air UGM.
3. Debit fasa cair yang diamati berkisar antara 0,1 sampai 2 liter per menit
(lpm).
`
7
4. Debit fasa gas yang diamati berkisar antara 0 hingga mencapai onset of
flooding. Bergantung pada konfigurasi alat.
1.4 . Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah :
1. Memvisualisasi jenis dan karakteristik aliran berlawanan arah di hot leg
reaktor nuklir tipe PWR.
2. Mengolah data visual dalam bentuk video menjadi data gambar Image
processing.
1.5 . Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini yang diharapkan adalah :
1. Untuk menambah data yang berhubungan dengan aliran stratified, onset of
flooding, zero penetration untuk menggambarkan pola-aliran berlawanan
arah (counter-current)
2. Untuk mengukur parameter seperti debit udara – air, drop tekanan, liquid
hold up, dan tebal film yang akan digunakan untuk validasi pemodelan
mekanistik CCFL pada pipa hot leg.
`
8